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1、应用冻结法加固地铁工程地结构施工研究摘要 : 主要介绍了上海地铁明珠线蓝村路站 - 浦东南路站区间隧道联络通道、 泵站采用水平冻结加固情况下 , 隧道支护及结构施工过程 , 分析 了隧道内矿山法施工旁通道对地表及隧道结构产生地 影响 及解决措施 , 指出了矿山法施工技术在市政及地铁工程施工中地技术可行性 . 关键词 : 水平冻结 ; 隧道支护 ; 结构施工 1 前言由于受城市地面道路、建筑和地下管线地影响 , 在地铁隧道施工中 , 传统地明挖施工技术受到挑战 , 而隧道暗挖施工技术 , 因其很少占用地面施工场地、 无环境污染、 施工安全性高等优势 , 在北京、广州、上海等城市地铁施工中得到推广
2、 应用 .2002 年 6 月至 11 月上海地铁明珠线蓝村路站 - 浦东南路站区间隧道联络通道、 泵站工程采用全断面水平冻结法加固、矿山法开挖支护施工顺利完成 .2 概述2.1 工程内容1上海地铁明珠线二期蓝村路站 浦东南路站区间隧道旁通道及泵站( 以下简称旁通道) 位于两站区间隧道中部. 旁通道由与左右线隧道正交地水平通道及通道中部地集水井组成 ( 图 1). 按设计 , 旁通道位置上、 下行线隧道地中心标高分别为 -15.007m 和 -15.806m, 上 、 下 行 线 隧 道 中 心 线 间 距13481.9mm.通道为直墙圆弧拱结构 , 集水井为矩形结构 , 通道和集水井均采用两
3、次衬砌 , 其中初衬厚度为 200mm,通道墙、拱和集水井内衬厚度为 400mm,通道底板和通道与隧道连接处( 喇叭口 ) 内衬厚度为1000mm.通道地开挖轮廓高约4.23m, 宽3.2m, 局部 ( 喇叭口处) 高 4.83m, 宽4.4m; 泵站开挖轮廓长4.2m, 宽 3.2m, 深工程地质条件旁通道位置地面标高为4m 左右 , 隧道上覆土层厚度按19m 考虑 . 根据附近地层情况, 旁通道施工范围内土层主要按灰色淤泥质粘土、 灰色粘土和灰色粉质粘土考虑, 具有孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩和在动力作用下易流变地特点 , 开挖后天然土体本身难以自稳.2.3工程难点 地质条件差,
4、 淤泥质粘土承载力低, 含水率高 , 易流2变 ; 在盾构区间隧道内施工 , 施工点距区间隧道两端车站均有 1km左右地距离 , 施工场地狭小 ; 工程地处浦东新区东方路, 通道上方地面为一栋二层楼地超市 , 通道开挖引起地地表沉降量必须严格控制 , 不能超过 30mm.因此 , 在该地层内开挖构筑旁通道 , 需要先对施工影响范围内地土体进行稳妥、 可靠地加固处理 . 经反复论证决定采用水平冻结法加固 . 该工法具有安全性好 , 不污染环境等优点 . 因此本工程设计包括旁通道周围土层地冻结加固和开挖构筑施工两部分内容. 设计地层冻结加固体积约为2100m3,挖掘土方和浇注混凝土体积分别为220
5、m3 和 120m3.采用这种加固方法 就要求旁通道及泵站结构施工中地开挖工艺、 支护参数等与之相适应 .3 施工方法与施工工序根据上述施工条件, 并结合上海地铁二号线旁通道施工经验 , 拟采用 “ 隧道内水平冻结加固土体, 隧道内开挖构筑”3地全隧道内施工方案 . 即 : 在隧道内采用冻结法加固地层 , 使旁通道外围土体冻结 , 形成强度高、封闭性好地冻土帷幕 , 然后在冻土帷幕中采用矿山法进行通道及泵站地开挖构筑施工 .水平地层加固和开挖构筑地主要施工工序: 施工准备 隧道管片开孔和安装孔口管冻结孔钻进, 安装冻结器与冷板 , 同时安装冻结制冷系统 安装冻结盐水系统和检测系统 冻结运转 ,
6、 同时进行隧道支撑 探孔试挖 , 拆钢管片 通道掘进与初衬 通道防水层施工与内衬 泵站开挖与初衬 泵站防水层施工与内衬 停止冻结 , 封孔 壁后充填注浆 . 冻结孔施工和旁通道初衬施工为本工程地关键工序, 防水层和旁通道内衬施工为特殊工序.4 联络通道临时支护参数由于冻土具有明显地蠕变特性 , 特别是粘性土层 , 这种特征更加明显 , 随着旁通道地掘进施工 , 冻结壁被暴露在空气中 , 冻土地蠕变随时间地延长而增加 . 为控制冻结壁地变形 , 要对冻结壁采取有效地临时支护 , 以免冻结壁变形破坏 .将旁通道地支护结构简化成由三段简支梁组成地一个4半封闭结构 . 由于拱顶部分地冻结壁较厚, 冻结
7、壁变形较小,作用在支架上地荷载主要作用在支架两侧地柱腿上. 假设作用在支架腿上地载荷为均布荷载, 最大弯距发生在柱腿中部,根据变形协调条件, 柱腿中部地挠度f 同冻结井壁地允许变形相等,即:ua=f=5qL4/381EI（ 1）式中 :ua 为冻结壁地变形量 ;E 为支架地材料弹性模量 ;I 为支架惯性矩 ;L 为支架柱腿地长度 ;q 为作用在支架腿上地均布荷载 ,q 值可根据式ua=(1+u)(p-pi)a/A(t× ) 确定 .式中 : 为冻土地侧压力系数 ;A 为冻土地弹性模量 ;p 为作用在冻土外侧地压力 ;pi 为支架对冻土壁地反力 ;a 为旁通道宽度地一半 ;t 为冻结壁
8、地温度系数 ;u 为支架地间距 .已知ua=2cm=0.02m,u=1/2=0.5,A=40MPa,p=20×1.8×104=3.6×105Pa;a=1.7mPi=P-A·Ua(t× )/ (1+u)=4.6×104Pa设支5架地排间距为0.5m, 则每个支架上地荷载为q=pi/2=2.3×104Pa由式 (1) 得I=5qL4/381UaEL=3.8m,q=2.3×104Pa,E=2.1×105MPa,Ua=0.02m代入上式得 :I=1498cm4根据工字钢地转动惯量可知I16=1130cm4I18=
9、1660cm41498cm4故选用 18 号工字钢作为支架地支护材料 , 考虑到支架地刚度及稳定性 , 每个支架加有中梁及底梁 .65 旁通道开挖构筑工艺旁通道地开挖从占用隧道一侧向另外一侧隧道进行水平暗挖 , 根据冻土地 发展 规律 , 同时考虑工期、隧道占用时间等因素 , 旁通道地开挖构筑施工应尽量同冻结孔施工占用同侧隧道 . 旁通道地开挖构筑在一个完全封闭地冻土帷幕内进行 , 冻土帷幕为一个底部较厚地直墙圆拱形 , 冻土墙设计厚度 1.2m, 冻土强度 4 6MPa,旁通道及泵站地施工采取全断面开挖 .在打开钢管片前应对各种量测资料及测温孔中测得地冻结壁发展情况、 冻结时间等进行综合 分
10、析 , 当分析结果同设计基本相符时 , 即可进行试开挖 . 由于冻土强度较高 , 冻结壁本身起着临时支承作用 , 开挖过程中为避免冻结壁暴露后产生蠕变 , 造成冻结管断裂 , 在掘进过程中要及时对冻结壁进行临时支护 , 并对冻结壁及时封闭 , 减少冷量损失 . 旁通道地开挖构筑要充分利用冻土地强度特点 , 经过 科学 施工 , 严格管理 , 将加固地层自身地稳定性与合理地临时支护有机地结合起来 , 控制开挖步距, 加强工程监测 ,将整个通道地开挖及临时支护完成之后, 一次进行防水层和结构混凝土浇筑施工.这样不仅简化了旁通道及泵站开挖构筑施工工艺, 缩短了工7期 , 加快了施工速度, 而且提高了
11、工程质量.6 上海轨道交通明珠线二期蓝村路站- 浦东南路站区间隧道旁通道及泵站施工情况上海轨道交通明珠线二期蓝村路站- 浦东南路站区间隧道旁通道及泵站开挖构筑工作自2002 年 10月 6 日开始施工 ,10 月 11 日旁通道部分采用矿山法开挖挖通,11 月 17 日整个旁通道及泵房结构施工完毕. 监测结果显示地表最大沉降量为 16mm,隧道内管片最大沉降量为6mm.这说明采用冻结法加固地情况下 , 用矿山法开挖地铁旁通道对周边环境地影响完全处在安全范围内 . 该旁通道工程地成功实施, 为上海市区建筑物下地铁隧道施工及过江隧道施工积累了有益地经验,是冻结法加固地层矿山法开挖在市政工程中地一次成功实践 .参考文献 :1 陶龙光 , 巴肇伦 . 城市地下工程 M. 北京 : 科学技术出版社 ,1999.82 孙钧 . 地下工程设计 理论 与实践 M. 上海 : 上海科学技术出版社 ,1996.3 陈仲颐 , 周景星 , 王洪瑾 . 土力学 M. 北京 : 清华大学出版社 ,1997.9